海北高寒草甸返青期土壤温度与水分动态变化

生态环境学报 2017, 26(3): 408-414 http://www.jeesci.com Ecology and Environmental Sciences E-mail: editor@jeesci.com

海北高寒草甸返青期土壤温度与水分动态变化

郭凤清1，孙书洪1*，曾辉2，丛沛桐3 1. 天津农学院水利工程学院，天津 300384；2. 北京大学深圳研究生院城市规划与设计学院，广东 深圳 518055； 3. 华南农业大学水利与土木工程学院，广东 广州 510642 摘要：分析青藏高原高寒草甸返青期土壤水分和温度的变化以及相互关系是理解高寒草甸生态系统变化的重要基础。为明晰青藏高原祁连山东部高寒草甸返青期的土壤温度与水分变化规律，选择祁连山东部海北高寒草甸为试验区，以实地测试与方差、相关及回归分析相结合的方法研究了海北高寒草甸返青期土壤分层水分和温度的动态变化。结果表明：（1）观测期内，高寒草甸整个返青期表层0 cm及地表以下5、15、30、60和120 cm土壤各层平均温度分别为10.47、4.11、3.28、1.76、0.80和0.51 ℃，表层0 cm地温受气温变化影响最为显著；返青早期各层土壤温度均稳定于0 ℃左右，返青中期各层土壤温度迅速增加，返青中后期自上而下不同土壤层温度逐渐降低；（2）表层、中层和深层土壤平均含水量分别为17.3%、20.6%和20.9%，中层和深层土壤水分含量较小；表层土壤含水量波动剧烈，在整个返青期呈逐渐下降趋势，中层和深层土壤含水量连续增加，波动范围小；（3）高寒草甸土层0~15 cm的土壤体积含水量与土壤温度呈显著负相关，随土壤平均温度增加，土壤体积含水量逐渐降低；15~30、30~45和45~60 cm较深层土壤含水量与土壤平均温度呈显著正相关，随土壤深度增加其相关性也随之增强。该研究可为理解青藏高原高寒草甸生态系统的变化规律和变化过程提供参考依据，对高寒草甸的保护及可持续利用也具有重要意义。 关键词：高寒草甸；返青期；土壤温度；土壤水分 DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.03.007 中图分类号：S812.2; X171.1 文献标志码：A 文章编号：1674-5906（2017）03-0408-07 引用格式：郭凤清, 孙书洪, 曾辉, 丛沛桐. 2017. 海北高寒草甸返青期土壤温度与水分动态变化[J]. 生态环境学报, 26(3): 408-414. GUO Fengqing, SUN Shuhong, ZENG Hui, CONG Peitong. 2017. Dynamic change of soil temperature and moisture during re-greening period on alpine meadow at Haibei station [J]. Ecology and Environmental Sciences, 26(3): 408-414. 高寒草甸是广泛分布于青藏高原祁连山东部及其周围山地的地带性植被，面积约7×105 km2，占区域内可利用草场面积约50%（高贵生，2006；Yu et al.，2010；丁明军等，2011）。高寒草甸牧草返青期，是牧草生长的关键期，可直观地指示环境条件季节变化的植物物候，近年来引起了研究者的关心。然而，青藏高原东部高寒草甸包括返青期在内的植物物候当前整体研究相对薄弱，部分研究侧重于探讨高寒草甸对全球气候变化的响应，年内返青期预报及预报方法，返青期与气温、降水关系分析等方面（Zheng，1996；祁如英等，2008；吕新苗等，2009；Yu et al.，2010；Shen et al.，2011；Piao et al.，2011）。祁连山高寒草甸是青藏高原高寒草甸的典型代表（杨成德等，2010），而目前有关青藏高原祁连山东部高寒草甸返青期的土壤温度与水分动态变化，尤其是明晰土壤分层温度与水分变化规律的研究较少。相对于夏、秋季环境要素，春季环境要素对春季植物返青期影响更为显著（张娟等，2012），故选择春季土壤分层的温度与水分指标与植物返青期进行相关分析。本研究从重要的土壤环境因子——土壤温度与水分方面进行拓展，选择祁连山东部海北高寒草甸为试验区，探讨试验区返青期土壤分层温度与水分的动态变化及其两者的相关关系。本研究是理解青藏高原高寒草甸生态系统返青期土壤水分和热量的变化以及相互关系的基础（吕贻忠等，2002；吴青柏等，2003），对理解海北高寒草甸生态系统中土壤内能量流动和物质运移的机制，以及阐释整个草地生态系统土壤中微生物、牧草萌动生长具有一定积极作用。 1 试验设计 1.1 试验样地选择 试验样地位于青藏高原东北隅祁连山地大通基金项目：国家重大科技研究计划项目（2013CB956303）；天津市科技支撑重点项目（14ZCZDNC00001） 作者简介：郭凤清（1974年生），女，讲师，博士，研究方向为自然地理学与生态水文。E-mail:gfqlwr@163.com *通信作者：孙书洪，教授，研究方向为生态水文。E-mail: hongss63@126.com 收稿日期：2017-02-08 郭凤清等：海北高寒草甸返青期土壤温度与水分动态变化 409 河河谷西段的国家草地生态系统野外科学观察站青海海北站（地理位置为37°29′~37°45′N，101°12′~ 101°23′E）（图1）。海北站站区面积37716 hm2，地形开阔，海拔在3200~3600 m（气象观测站海拔高度为3220 m）。该站行政隶属于青海省海北藏族自治州门源回族自治县门源马场，距西宁160 km。海北站具有多种小地域单元，适宜布置多种类型野外试验（李英年等，2004）。

试验样区选在海北站的山地阳坡滩地。试验样区内植被建群种为青藏高原典型的地带性植被——寒冷湿中生的多年生草本植物矮嵩草（Kobresia humilis）草甸和小嵩草（Kobresia pygmaea）草甸（周兴民等，1982）。大量分布的土壤类型有草毡寒冻雏形土（Mat-Cryic Cambisols），又叫高山草甸土，土壤发育差，土层浅薄，土层深度60 cm左右（乐炎舟等，1982）。2013年试验初期试验样区内植被覆盖度达95%以上，样地内主要植物为矮嵩草、小嵩草、金露梅（Dasiphora fruticosa）、藏嵩草（Kobresia tibetica）。 1.2 试验设计 试验设计为时间序列的重复采样测定，试验时间为2013年和2014年高寒草甸春季返青期4月20日—6月29日，在自然条件下研究高寒草甸春季返青期土壤水热运移规律、土壤水热耦合效应。为较准确反映研究区春季返青期土壤温度与水分动态变化，在试验样地内随机布置4个样地进行重复测定，样地大小为100 m×100 m，各样地间距50 m，试验样地用铁丝围栏，排除家畜及人为干扰，使其处于自然封育状态。 1.3 测定方法及数据获取 （1）土壤温度的测定：采用MF51-TL型（北京玻璃研究所生产）热敏电阻地温计分层测定土壤温度，测定频度为每5天测定1次，每个试验样地重复测定6次，高寒草甸土壤温度测试层次分别为0、5、15、30、60和120 cm。 （2）土壤体积含水量的测定：采用加拿大产的型号为MP917的时域反射仪（TDR）测定试验样区中土壤的体积含水量，测定时间从每年植物返青期开始，测定频度为每5天1次，每隔7 d用土钻法加测1次。每次降雨后用时域反射仪和土钻法加测1次。每次测定时间为上午10:00，每样地重复测定4次。测定体积含水量的土壤层分为4层，分别为0~15、15~30、30~45和45~60 cm（因试验样区内土壤厚度大多数为60 cm，60~120 cm的土壤层经反复测试，土壤体积含水量很低，在试验分析中未计入考虑）。 （3）气温数据：研究选用的气温数据为2013年和2014年春季返青期4月20日—6月29日的日平均气温，源于样地代码为HBGQX01的海北站气象观测场样地（因研究中的试验样地位于该样地正东方向约500 m距离处，故利用该样地的日平均气温），由海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站提供。 1.4 数据处理与分析方法 采用单因子方差法分析不同测试年份不同层次土壤的温度、水分以及空气温度的差异，通过一般线性回归分析气温、土壤温度与土壤水分之间的相关性。试验数据分析均在SPSS 13.0软件进行，用Excel 2003作图。 2 结果及分析 2.1 土壤温度的动态变化 土壤温度是直接影响草甸草原返青期植物发芽和出苗的一个主要因素，而且不同土壤层温度在此阶段差异显著。由图2可知，海北站高寒草甸返青期土壤温度变化剧烈，波动范围较大，尤其是表层（0~15 cm）土壤温度变化最为显著。返青后期土壤温度显著增加。 测定年内，海北站高寒草甸在整个返青期的气温变化表现出显著（P=0.019）的不稳定性，波动范围在-9.2~14.9 ℃，空气平均温度为3.82 ℃。返青早期（4月20日—5月16日）气温各测定值在0 ℃上下波动，平均气温为-1.81 ℃；返青中期（5月17日—6月10日）气温变化范围为-1~11.3 ℃，平均气温为5.12 ℃；返青后期（6月11日—6月29日）气温变化范围为3.2~14.9 ℃，平均气温为8.15 ℃。2014年因受4月23日和24日寒潮影响，整个返青期平均气温低于2013年（2013年5.17 ℃，2014年2.47 ℃）。 土壤表层0 cm处地温受气温变化最为显著，其变化趋势和气温一致，波动范围在1.3~20.0 ℃， 图1 海北站位置图 Fig. 1 Location map of HaiBei Station 410 生态环境学报 第26卷第3期（2017年3月）

地表0 cm土壤温度平均值为10.47 ℃。 地表以下5、15、30、60和120 cm土壤温度动态变化在不同观测年限（2013年和2014年）均表现出相同趋势，在整个返青期，各层平均温度分别为4.11、3.28、1.76、0.80和0.51 ℃。返青早期各层土壤温度变化不明显，不同土壤层间地温差异也不显著，均稳定于0 ℃左右；返青中期，当日均温度持续≥0 ℃时，表层土壤完全解冻，各层土壤温度迅速增加，温度跃变值为6 ℃；返青中后期自上而下不同层次土壤温度测定值随着土壤深度的增加而逐渐降低，5 cm处土壤温度最高，120 cm处土壤温度始终较低。 2.2 土壤体积含水量的动态变化 总体上，海北站高寒草甸返青期土壤层0~60 cm含水量较高，均在10%~30.5%之间，但不同土壤层其含水量动态趋势差异明显（图3）。高寒草甸在返青初期由于太阳辐射加强，地表消融，表层土壤（0~15 cm）水分含量较高；随着温度逐渐升高，冻融作用使得深层土壤（30~60 cm）中的水分向上运动并集聚，其结果是中层土壤（15~30 cm）含水量明显增加。 由图3可知，测定年内，表层土壤0~15 cm含水量波动剧烈，受降雨影响较大，且在整个返青期呈逐渐下降趋势，土壤平均水分为17.3%。返青早期，地表解冻，土壤含水量较高，表层土壤平均含水量为21.8%，此后，土壤含水量逐渐下降，返青中后期，表层土壤平均含水量分别为16.0%和14.2%。其主要原因可能是蒸散耗水量较大，而降雨补给又少。在蒸散耗水量强烈的气候环境条件下，形成一定厚度的干土层，该干土层的形成阻碍了较深层次土壤水分的散失，有利于春季草地土壤保墒，为多年生牧草的萌动生长提供了良好的土壤

图2 返青期高寒草甸气温和土壤温度动态变化 Fig. 2 Dynamic changes of air temperature and soil temperature during re-greening period on Alpine Meadow -100102030

4-205-45-165-266-76-156-236-29Air tempreture0 cm5 cm15 cm30 cm60 cm120 cm2013

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